中國研制出輕質(zhì)高強韌納米纖維素仿生結(jié)構(gòu)材料 相關研究成果發(fā)表在《科學進展》期刊上

記者日前從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校俞書宏院士團隊成功研制了一類天然納米纖維素高性能結(jié)構(gòu)材料，其密度僅為鋼的六分之一，而比強度、比韌性均超過傳統(tǒng)合金材料、陶瓷和工程塑料。這種新型全生物質(zhì)仿生結(jié)構(gòu)材料有望替代現(xiàn)有的工程塑料，具有廣泛的應用前景。相關研究成果發(fā)表在《科學進展》期刊上。

航空航天等領域?qū)こ探Y(jié)構(gòu)材料不斷提出新需求，研制全面超越工程塑料、陶瓷和金屬材料等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的新型輕質(zhì)高強材料，對相關領域的實際應用具有重要的戰(zhàn)略意義。

研究發(fā)現(xiàn)，這種材料的輕質(zhì)高強韌特性主要來自材料微米級層狀結(jié)構(gòu)和納米三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計。纖維素納米纖維內(nèi)部高度結(jié)晶可以提供極高的強度，纖維之間通過大量氫鍵等可逆相互作用網(wǎng)絡進行結(jié)合，在外力作用下這種高密度的可逆相互作用網(wǎng)絡可以迅速解離和重構(gòu)，吸收大量能量，使材料在具有高強度的同時實現(xiàn)高韌性，克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料難以兼具高強度與高韌性的問題。此外，這種材料熱膨脹系數(shù)極低，即使溫度波動100℃，其尺寸變化也在萬分之五內(nèi)，遠優(yōu)于航空合金材料和工程塑料，僅為航空鋁合金的五分之一，工程塑料的幾十分之一，與陶瓷接近。另外，在120℃和-196℃之間進行反復劇烈熱沖擊循環(huán)測試下，其力學性能與尺寸依然高度穩(wěn)定。在相當于一輛高速行駛的汽車的高速沖擊下，該材料表現(xiàn)出超高抗壓強度，有望作為合金的替代品。

這種可持續(xù)新型天然納米纖維仿生結(jié)構(gòu)材料，集成了輕質(zhì)高強韌、高尺寸穩(wěn)定性、抗熱震、抗沖擊、高損傷容限等優(yōu)異性能，在輕量化抗沖擊防護及緩沖材料、空間材料、精密儀器結(jié)構(gòu)件等領域具有廣闊的應用前景。